CN210490711U - 一种高温超导电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高温超导电机，包括沿其径向至外向内依次设置的电机壳体、定子和转子，所述定子设有定子绕组，所述转子设有超导磁块；所述定子开设有沿其轴向延伸的导线孔，所述导线孔内设有用以通电向所述超导磁块充磁的超导线材；所述电机壳体密封，所述电机壳体的两端设有与其配合密封的端盖；所述电机壳体内部通有用以维持所述超导线材和所述超导磁块处于超导临界温度的冷却介质，所述定子和所述转子浸没于所述冷却介质中。上述高温超导电机突破了超导线材动态通电的制约，提高了超导磁块充磁的便利性和可靠性。

Description

一种高温超导电机

技术领域

本实用新型涉及超导电机技术领域，特别涉及一种高温超导电机。

背景技术

高温超导电机已被现有技术已知，其利用在临界温度下超导线材超大的载流能力和超导磁块充磁后超强的磁通强度，使得电机体积大大缩小。当然，这里的“高温”是相对绝对零度而言的，实际上的温度仍然低于超导线材和超导磁块超导临界温度。要保证超导线材和超导磁块的稳定运行，需要其持续运行在临界温度环境中。超导磁块和超导线材均位于转子上，转子整体密闭与定子隔离，并通过冷媒介质冷却，需要通过超导线材通过集电环电刷与外部电压通电进行充磁。即使处于非充磁状态下，超导线圈与集电环电刷仍然存在相对的转动，转动连接处需要相对冷媒介质密封，超导线材在电机运行状态发生相对集电环电刷发生磨损，降低了充磁的可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高温超导电机，突破了超导磁块动态充磁的限制，提升了充磁的便利性和可靠性。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种高温超导电机，包括沿其径向至外向内依次设置的电机壳体、定子和转子，所述定子设有定子绕组，所述转子设有超导磁块；

所述定子开设有沿其轴向延伸的导线孔，所述导线孔内设有用以通电向所述超导磁块充磁的超导线材；所述电机壳体密封，所述电机壳体的两端设有与其配合密封的端盖；所述电机壳体内部通有用以维持所述超导线材和所述超导磁块处于超导临界温度的冷却介质，所述定子和所述转子浸没于所述冷却介质中。

可选地，所述端盖设有冷却介质进口和冷却介质出口，所述冷却介质进口和所述冷却介质出口关于所述端盖的中心对称设置。

可选地，所述端盖和所述电机壳体之间设有第一隔热层，所述第一隔热层与所述端盖平行设置，所述定子和所述电机壳体之间设有第二隔热层。

可选地，所述第一隔热层和所述第二隔热层连接处设有相互配合的阶梯凸缘。

可选地，所述导线孔的组数与所述高温超导电机的极数相同，全部组的所述导线孔沿所述定子的周向均匀设置。

可选地，所述转子包括转子铁芯，所述超导磁块贴合所述转子铁芯的外表面设置，全部所述超导磁块沿所述转子铁芯的外表面均匀设置。

可选地，所述转子包括转子铁芯，所述超导磁块嵌装于所述转子铁芯内部，全部所述超导磁块沿所述转子铁芯的内周均匀设置。

相对于上述背景技术，本实用新型所提供的高温超导电机通过沿定子的轴向开设导线孔，将超导线材设置在定子中，避免了超导线材的旋转通电充磁，减少了超导线材相对集电环电刷的磨损，提升了设置在转子中的超导磁块的充磁的可靠性。为了实现对超导线材及超导磁块超导临界温度的维持，电机壳体为密封的壳体，通过和端盖配合形成容纳冷却介质的空间，向电机壳体内通入冷却介质，定子和转子没在壳体内的冷却介质中。由于超导线材设置在定子中，避免了超导线材的旋转供电及非充磁状态下电机运行产生磨损，提升了充磁的可靠性，能够在电机运行状态下进行充磁。该高温超导电机除了电机轴承室均采用静态密封结构(相对旋转状态下的密封而言)即能满足高温超导电机的密封需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所提供的高温超导电机的轴向剖视图；

图2为本实用新型实施例所提供的高温超导电机的径向截面图；

图3为本实用新型一种实施例所提供的定子的示意图；

图4为本实用新型另一种实施例所提供的定子的示意图；

图5为本实用新型一种实施例所提供的转子的示意图；

图6为本实用新型另一种实施例所提供的转子的示意图。

其中：

1-电机壳体、2-定子、21-定子铁芯、22-定子绕组、23-定子槽、3-转子、31-转子铁芯、32-超导磁块、4-导线孔、41-超导线材、5-冷却介质进口、6-冷却介质出口、7-第一隔热层、8-第二隔热层、9-端盖。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1至图6，图1为本实用新型实施例所提供的高温超导电机的轴向剖视图，图2为本实用新型实施例所提供的高温超导电机的径向截面图，图3为本实用新型一种实施例所提供的定子的示意图，图4为本实用新型另一种实施例所提供的定子的示意图，图5为本实用新型一种实施例所提供的转子的示意图，图6为本实用新型另一种实施例所提供的转子的示意图。

本实用新型所提供的高温超导电机，包括电机壳体1、定子2和转子3。电机壳体1、定子2和转子3的相对位置与常规电机相同，也即沿电机的径向自外至内依次设置。有所不同的是，转子3设有超导磁块32，替代常规的转子绕组或者永磁体，定子2则设置沿其轴向延伸的导线孔4，导线孔4内设置超导线材41。为了维持超导线材41和超导磁块32处于临界温度下，电机壳体1采用密封的壳体，并且与端盖9配合形成密封的空间，通过向电机壳体1内通入冷却介质，使定子2和转子3之间没在冷却介质中，对超导线材41超导磁块32进行冷却，维持二者温度处于超导临界温度以下。相对于超导线材41和超导磁块32设置在转子3内，需要克服超导线材41的旋转供电，避免超导线材41在非充磁状态的电机运行状态下相对集电环电刷的磨损，提高了充磁的可靠性。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型所提供的高温超导电机进行更加详细的介绍。

在本实用新型所提供的具体实施中，高温超导电机的设置可参考图1和图2，用来供超导线材41安装的导线孔4设置在定子2的定子轭部，从定子轭部沿定子2的轴向贯穿至定子2的另一端，导线孔4通常沿定子轭部的周向均匀设置，从而在超导线材41通电时在转子3形成一个对称且相对均匀的超强磁场，对设置在转子3内的超导磁块32进行均匀的充磁。一般来说，导线孔4的组数与高温超导电机的极数相等，也即为极对数的两倍。

多组导线孔4沿定子2的圆周方向均匀设置，当高温超导电机的极对数为2时，导线孔4为四组，四组导线孔4相间90°设置，超导磁块32对应为四块，充磁后形成两对磁极。一组导线孔4的通常可包括两个相邻设置的导线孔4。由于本实用新型所提供的超导电机的超导线材41和超导磁块32分别设置在定子2和转子3中，超导磁块32和超导线材41之间的距离增大，对超导磁块32充磁的超导线材41所产生的感应磁场强度更强。超导线材41的瞬时电流及电流变化率相对传统充磁方式更大，充磁电流通常达到几百安至几千安，充磁时间也即充磁电流的持续时间为几毫秒到数百毫秒之间，电流的大小及持续时间具体视高温超导电机的型号及功率而定。

超导线材41中电流的增大则增大了对绝缘的要求，为了满足超导线材41相对定子2的绝缘，除了超导线材41本身的绝缘设置外，导线孔4内通常还增设绝缘层。绝缘层可以为刷涂在导线孔4内壁的绝缘漆，也可以为嵌套在导线孔4内塑料或树脂绝缘套筒，采用第二种绝缘设置时导线孔4的直径较第一种绝缘设置大两倍的绝缘套筒的厚度。

为了实现对超导线材41和超导磁块32的超导临界温度的维持，电机壳体1采用圆筒状的密封壳体；电机壳体1的两端设有端盖9，端盖9和电机壳体1配合，形成密封的容纳冷却介质的空间，通过向电机壳体1内通入冷却介质，维持定子2内的超导线材41和转子3内的超导磁块32处于超导临界温度以下，保持二者的超导状态。冷却介质可以为液氮或者液氦，冷却介质的温度(低于)视超导线材41和超导磁块32的材质而定，不同材质对应的超导临界温度不同。

为了维持冷却介质的温度，冷却介质在电机壳体1内实质上是循环流动的，需要设置冷却介质进口5和冷却介质出口6，通过冷却介质进口5向电机壳体1内注入低温的冷却介质，将循环升温的冷却介质从冷却介质出口6排出。

冷却介质进口5和冷却介质出口6可设置在电机壳体1的侧壁，也可以设置在端盖9上；既可以设置在同一端盖9上，也可以分别设置在电机壳体1两端的两个端盖9上。在如图1所示的实施例中，冷却介质进口5和冷却介质出口6设置在同一端盖9上，且关于该端盖9的中心对称设置。电机轴穿出端盖9处设有转动密封结构，端盖9供电机轴穿出的内侧端面设有圆环槽，转动密封结构设置在圆环槽内，转动密封结构可参考现有的超导电机设置。

为了维持冷却介质的温度，除了通过冷却介质进口5和冷却介质出口6进行冷却介质的循环外，由于冷却介质的温度远低于环境温度，还要考虑冷却介质从外界环境的吸热。因此，还特别设置隔热层减缓冷却介质吸热，保温层具体包括设置端盖9与电机壳体1之间、与端盖9平行贴合的圆盘状的第一隔热层7，套设在定子和电机壳体1之间的套筒状的第二隔热层8。第一隔热层7和第二隔热层8的连接处设有相互配合的阶梯凸缘，既可以为一阶，也可以为多阶，能保证连接处的密封即可。还可以采用相互咬合的齿状结构实现连接处的密封。此时，冷却介质实际上是处于第一隔热层7和第二隔热层8内的。

进一步地，还可以在电机壳体1的外表面还可包覆保温层，隔热层和保温层为采用常规的保温材料，此处不再展开。

在一种实施例中，定子2的结构如图3所示，包括定子铁芯21，定子铁芯21的内壁设有沿其周向均匀开设的齿，相邻的齿之间形成定子槽23，供定子绕组22绕制，定子2的轭部则开设导线孔4，用来穿设超导线材41。在另一种实施例中定子2可采用如图4所示的空气定子铁芯21，定子铁芯21的内壁未设置定子槽23，定子绕组22通过相间设置的垫块将定子绕组22沿定子2内壁的周向固定。

本实用新型还提供了两种分别如图5和图6所示的转子结构，以极对数为2的高温超导电机为例，超导磁块32分别设置在转子铁芯31的外壁或嵌装在转子铁芯31的内周，通过向超导磁块32充磁充当转子绕组。无论超导磁块32采用何种设置方向，超导磁块32都需要沿转子铁芯31的周向均匀设置。当然，超导磁块32采用不同的布置方式时，对应的转子铁芯31的直径也存在差异。

在对上述高温超导电机进行充磁时，需要首先将外部的充磁电路与超导线材41连接，既可以通过设置多组充磁电路同时连接全部组的超导线材41，也可以采用一组充磁电路逐次连接不同组的超导线材41，对转子3内的超导磁块32进行分步充磁。

在充磁电路与超导线材41连接以后，需要通过介质注入口向冷却通道以及定子2和转子3之间内注入冷却介质，检测到超导线材41及转子3内部的温度达到对应的超导临界温度以下再通入充磁电流。

其次，需要设置合适充磁电流的充磁时间也即充磁电流持续时间。根据高温超导电机的功率、超导磁块32的所要达到的磁场强度和超导磁块32与超导线材41之间的间距查找或计算出超导线材41需要产生的感应磁场的强度，进而根据感应磁场的强度设置合适的充磁电流和充磁时间。

最后按照预设充磁电流和充磁时间对超导线材41进行通断电操作即可。此外，还可以直接将充磁电路连接定子绕组22的三相，通过定子绕组22通入充磁电流产生感应磁场，为设置在转子3中的超导磁块32进行充磁。直接向定子绕组22通入充磁电流(直流)时，A相充磁电流为I，B相和C相的充磁电流则为-I/2负号表示B相及C相和A相通入的充磁电流方向相反。只是通过定子绕组22的三相的充磁电流进行充磁时的充磁电流小于仅通过超导线材41的充磁电流，以维持相间的绝缘。

以上对本实用新型所提供的高温超导电机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高温超导电机，包括沿其径向至外向内依次设置的电机壳体(1)、定子(2)和转子(3)，所述定子(2)设有定子绕组(22)，所述转子(3)设有超导磁块(32)；其特征在于，

所述定子(2)开设有沿其轴向延伸的导线孔(4)，所述导线孔(4)内设有用以通电向所述超导磁块(32)充磁的超导线材(41)；所述电机壳体(1)密封，所述电机壳体(1)的两端设有与其配合密封的端盖(9)；所述电机壳体(1)内部通有用以维持所述超导线材(41)和所述超导磁块(32)处于超导临界温度的冷却介质，所述定子(2)和所述转子(3)浸没于所述冷却介质中。

2.根据权利要求1所述的高温超导电机，其特征在于，所述端盖(9)设有冷却介质进口(5)和冷却介质出口(6)，所述冷却介质进口(5)和所述冷却介质出口(6)关于所述端盖(9)的中心对称设置。

3.根据权利要求2所述的高温超导电机，其特征在于，所述端盖(9)和所述电机壳体(1)之间设有第一隔热层(7)，所述第一隔热层(7)与所述端盖(9)平行设置，所述定子(2)和所述电机壳体(1)之间设有第二隔热层(8)。

4.根据权利要求3所述的高温超导电机，其特征在于，所述第一隔热层(7)和所述第二隔热层(8)连接处设有相互配合的阶梯凸缘。

5.根据权利要求1至4任一项所述的高温超导电机，其特征在于，所述导线孔(4)的组数与所述高温超导电机的极数相同，全部组的所述导线孔(4)沿所述定子(2)的周向均匀设置。

6.根据权利要求5所述的高温超导电机，其特征在于，所述转子(3)包括转子铁芯(31)，所述超导磁块(32)贴合所述转子铁芯(31)的外表面设置，全部所述超导磁块(32)沿所述转子铁芯(31)的外表面均匀设置。

7.根据权利要求5所述的高温超导电机，其特征在于，所述转子(3)包括转子铁芯(31)，所述超导磁块(32)嵌装于所述转子铁芯(31)内部，全部所述超导磁块(32)沿所述转子铁芯(31)的内周均匀设置。

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